A Molecular Dynamics-Stochastic Model for Thermal Conductivity of Nanofluids and Its Experimental Validation Madan Mohan Ghosh, Someshwar Roy, Shyamal Kumar Pabi, Sudipto Ghosh, and Sudipto Ghosh

Garis besar Mempelajari karakteristik transfer panas selama tumbukan nanopartikel-nanopartikel dengan blok sumber panas (heat sink) Menggunakan Molekular Dinamik dan Model Stokastik untuk mensimulasikan tumbukan berulang antara nanopartikel Cu dengan blok Cu (sumber panas) karena gerak brownian nanopartikel PPT by Heliokinesis

Formulasi Model Molekular dinamik untuk mengestimasi jumlah pertukaran panas selama tumbukan tunggal nanopartikel dengan sumber panas Model Stokastik untuk mengestimasi transfer panas antara sumber panas dan fluida karena sejumlah besar tumbukan yang terjadi Coupled MD-Stochastic Simulation PPT by Heliokinesis

Simulasi MD Evaluasi pertukaran panas selama tumbukan nanopartikel-Cu dengan blok-Cu (sumber panas) secara konduksi melalui transfer fonon

Simulasi MD Interaksi interatomik atom menggunakan potensial Lennard-Jones Radius cutoff = 2 nm Kecepatan tumbukan divariasikan dari 1 hingga 50 m/s (untuk melihat efek intensitas tumbukan terhadap panas yang diambil oleh nanopartikel) Posisi dan kecepatan setiap atom menggunakan algoritma Verlet, dengan time step 10-14 sekon Ukuran Blok-Cu 1.781416 nm x 7.2302 nm x 7.2302 nm Nanopartikel diasumsikan berbentuk bola dengan diameter 4 atau 10 nm (Inisialisasi) Sebelum simulasi, suhu nanopartikel-Cu diseimbangkan pada 298 – 358 K, dan blok-Cu pada 370 K PPT by Heliokinesis

Simulasi MD (inisialisasi)Jarak awal Blok-nanopartikel dijaga pada 0.4 nm Kecepatan pusat masa Blok-Cu nol, sedangkan untuk nanopartikel-Cu sama dengan kecepatan tumbukan Blok-Cu hanya segmen kecil dari sumber panas riil-nya (kawat metal THW) untuk menghindari waktu komputasi yang lama dan error PPT by Heliokinesis

Simulasi MD Tidak ada interaksi potensial pada sistem Cu-H-O. H2O hanya berperan dalam memberikan efek gaya gesek selama tumbukan Transfer panas antara sumber panas dan nanopartikel hanya terjadi selama periode tumbukan PPT by Heliokinesis

Model Stokastik dan Riwayat Panas Nanopartikel di dalam Nanofluida Cu-Air Evaluasi transfer panas antara sumber panas dan fluida karena sejumlah besar tumbukan

Model Stokastik Model stokastik (probabilistik) untuk memprediksi evolusi ruang fase (trajectory & riwayat panas) nanopartikel yang mengalami gerak brownian Frekuensi tumbukan bergantung pada parameter gerak brownian seperti: Suhu dan viskositas base fluid Ukuran nanopartikel dll Pertukaran panas antara nanopartikel – basefluid via konveksi, bergantung pada: Perbedaan suhu antara nanopartikel yang bergerak dengan basefluid Tumbukan antar partikel diabaikan karena probabilitasnya rendah PPT by Heliokinesis

Thermal Trajectory Berdasarkan evolusi ruang fase, variasi rata-rata suhu partikel terhadap waktu diestimasi dengan mengikuti prosedur: Ketika nanopartikel bertumbukan dengan blok, nanopartikel mendapat panas dari blok melalui transfer fonon Transfer panas konveksi terjadi antara nanopartikel dan fluida ketika partikel bergerak setelah tumbukan dengan blok PPT by Heliokinesis

Estimasi Peningkatan Konduktivitas Panas Nanofluida

Konduktivitas Panas Peningkatan Konduktivitas diestimasi dari rasio transfer panas karena tumbukan dan transfer panas karena konduksi melalui basefluid. . PPT by Heliokinesis

Konduktivitas Panas Keberadaan nanopartikel pada jarak berbeda dari sumber panas berkonrtibusi pada peningkatan konduktivitas panas nanofluida, karena frekuensi tumbukan dan transfer panas rata- rata per tumbukannya berbeda PPT by Heliokinesis

Hasil dan Diskusi

Suhu Suhu nanopartikel meningkat cepat seiring meningkatnya time step. Semakin lama suhu nanopartikel semakin mendekati suhu blok Energi panas yang diterima nanopartikel dihitung dari peningkatan temperaturnya PPT by Heliokinesis

Suhu Peningkatan suhu nanopartikel karena tumbukan semakin kecil seiring dengan meningkatnya kecepatan tumbukan dan suhu awal nanopartikel. Grafik di samping understandable karena ketika perbedaan suhu awal nanopartikel dan sumber anas semakin kecil, durasi tumbukan lebih pendek sehingga flux panas yang diterima nanopartikel semakin berkurang PPT by Heliokinesis

Suhu Dibandingkan dengan grafik suhu vs time step untuk nanopartikel berukuran 4 nm, grafik ini lebih membutuhkan waktu komputasi yang lebih lama Waktu komputasi lebih lama karena periode tumbukan lebih besar PPT by Heliokinesis

Suhu

Periode Tumbukan Periode tumbukan semakin kecil sering dengan meningkatnya kecepatan tumbukan PPT by Heliokinesis

Konduktivitas Panas Note: ukuran nanopartikel model lebih kecil dari eksperimen Untuk volum fraksi ≤0.3%, peningkatan konduktivitas panas yang diestimasi secara teoririk 25% lebih tinggi dari hasil eksperimen untuk Cu+H2O Semakin kecil ukuran nanopartikel, semakin besar frekuensi tumbukannya, sehingga peningkatan konduktivitas panasnya lebih tinggi PPT by Heliokinesis

Referensi Madan Mohan Ghosh, Someshwar Roy, Shyamal Kumar Pabi, Sudipto Ghosh, and Sudipto Ghosh. A Molecular Dynamics- Stochastic Model for Thermal Conductivity of Nanofluids and Its Experimental Validation. Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol.10, 1–12, 2010 PPT by Heliokinesis